Γιατί τα κλασικά υπέρυθρα μήκη κύματος είναι 808nm, 1064nm και 1550nm;

1. Πηγή φωτός (λέιζερ)

Τα βασικά συστατικά του αλέιζερμπορεί να χωριστεί σε τρία μέρη: μια πηγή αντλίας (η οποία παρέχει ενέργεια για την επίτευξη αναστροφής πληθυσμού στο μέσο εργασίας). ένα μέσο εργασίας (το οποίο έχει μια κατάλληλη δομή ενεργειακού επιπέδου που επιτρέπει την αναστροφή πληθυσμού υπό τη δράση της αντλίας, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να μεταβούν από τα υψηλά επίπεδα ενέργειας στο χαμηλότερο επίπεδο και να απελευθερώσουν ενέργεια με τη μορφή φωτονίων). και μια κοιλότητα συντονισμού.

Οι ιδιότητες του μέσου εργασίας καθορίζουν το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός λέιζερ.

Το κύριο λέιζερ με μήκος κύματος 808 nm είναι ένα λέιζερ ημιαγωγών. Η ενέργεια του κενού ζώνης του ημιαγωγού καθορίζει το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός λέιζερ, καθιστώντας τα 808 nm ένα σχετικά κοινό μήκος κύματος λειτουργίας. Ο τύπος λέιζερ ημιαγωγών 808 nm είναι επίσης ένας από τους αρχαιότερους και πιο εντατικά ερευνητές. Η ενεργή περιοχή του αποτελείται είτε από υλικά που περιέχουν αλουμίνιο (όπως τα InAlGaAs) είτε από υλικά χωρίς αλουμίνιο (όπως το GaAsP). Αυτός ο τύπος λέιζερ προσφέρει πλεονεκτήματα όπως χαμηλό κόστος, υψηλή απόδοση και μεγάλη διάρκεια ζωής.

Τα 1064nm είναι επίσης ένα κλασικό μήκος κύματος για λέιζερ στερεάς κατάστασης. Το υλικό εργασίας είναι ένας κρύσταλλος YAG (γρανάτης αλουμινίου υττρίου Y3AI5012) με πρόσμειξη νεοδυμίου (Nd). Τα ιόντα αλουμινίου στον κρύσταλλο YAG αλληλεπιδρούν συνεργικά με τα κατιόντα με πρόσμιξη Nd, δημιουργώντας μια κατάλληλη χωρική δομή και δομή ενεργειακής ζώνης. Κάτω από τη δράση της ενέργειας διέγερσης, τα κατιόντα Nd διεγείρονται σε διεγερμένη κατάσταση, υφίστανται ραδιενεργές μεταπτώσεις και δημιουργώντας lasing. Επιπλέον, οι κρύσταλλοι Nd:YAG προσφέρουν εξαιρετική σταθερότητα και σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής.

Μπορούν επίσης να δημιουργηθούν λέιζερ 1550 nm χρησιμοποιώντας λέιζερ ημιαγωγών. Τα υλικά ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται συνήθως περιλαμβάνουν τα InGaAsP, InGaAsN και InGaAlAs.

2. Χρήσεις & Εφαρμογές

Η ζώνη υπερύθρων έχει πολυάριθμες εφαρμογές, όπως οπτικές επικοινωνίες, υγειονομική περίθαλψη, βιοϊατρική απεικόνιση, επεξεργασία λέιζερ και πολλά άλλα.

Πάρτε για παράδειγμα τις οπτικές επικοινωνίες. Οι τρέχουσες επικοινωνίες οπτικών ινών χρησιμοποιούν ίνες χαλαζία. Για να διασφαλίσουμε ότι το φως μπορεί να μεταφέρει πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς απώλεια, πρέπει να εξετάσουμε ποια μήκη κύματος φωτός μεταδίδονται καλύτερα μέσω της ίνας.

Στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη, η απώλεια της συνηθισμένης ίνας χαλαζία μειώνεται με την αύξηση του μήκους κύματος, εξαιρουμένων των κορυφών απορρόφησης ακαθαρσιών. Τρία «παράθυρα» μήκους κύματος με πολύ χαμηλή απώλεια υπάρχουν στα 0,85 μm, 1,31 μm και 1,55 μm. Το μήκος κύματος εκπομπής του λέιζερ της πηγής φωτός και η απόκριση μήκους κύματος της φωτοδιόδου του φωτοανιχνευτή πρέπει να ευθυγραμμίζονται με αυτά τα τρία παράθυρα μήκους κύματος. Συγκεκριμένα, σε εργαστηριακές συνθήκες, η απώλεια στα 1,55 μm έχει φτάσει τα 0,1419 dB/km, πλησιάζοντας το θεωρητικό όριο απώλειας για τις ίνες χαλαζία.

Το φως σε αυτό το εύρος μήκους κύματος μπορεί να διαπεράσει σχετικά καλά τον βιολογικό ιστό και έχει εφαρμογές σε τομείς όπως η φωτοθερμική θεραπεία. Για παράδειγμα, οι Yue et al. κατασκεύασε νανοσωματίδια με στόχο την ηπαρίνη-φολικό χρησιμοποιώντας την κυανίνη εγγύς υπέρυθρη χρωστική IR780, η οποία έχει μέγιστο μήκος κύματος απορρόφησης περίπου 780 nm και μήκος κύματος εκπομπής 807 nm. Σε συγκέντρωση 10 mg/mL, η ακτινοβολία λέιζερ (808 nm λέιζερ, 0,6 W/cm² πυκνότητα ισχύος) για 2 λεπτά αύξησε τη θερμοκρασία από 23°C σε 42°C. Μια δόση 1,4 mg/kg χορηγήθηκε σε ποντικούς που έφεραν όγκους MCF-7 θετικούς σε υποδοχέα φολικού οξέος και οι όγκοι ακτινοβολήθηκαν με φως λέιζερ 808 nm (0,8 W/cm2) για 5 λεπτά. Σημαντική συρρίκνωση του όγκου παρατηρήθηκε τις επόμενες ημέρες.

Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν υπέρυθρες lidar. Η τρέχουσα ζώνη μήκους κύματος 905 nm έχει αδύναμες δυνατότητες παρεμβολής καιρού και ανεπαρκή διείσδυση στη βροχή και την ομίχλη. Η ακτινοβολία λέιζερ στα 1,5 μm πέφτει στο ατμοσφαιρικό παράθυρο των 1,5–1,8 μm, με αποτέλεσμα χαμηλή εξασθένηση στον αέρα. Επιπλέον, τα 905 nm εμπίπτουν στην επικίνδυνη ζώνη για τα μάτια, απαιτώντας περιορισμό ισχύος για την ελαχιστοποίηση της ζημιάς. Ωστόσο, τα 1550 nm είναι ασφαλή για τα μάτια, επομένως βρίσκει εφαρμογές και στο lidar.

Συνοπτικά,λέιζερσε αυτά τα μήκη κύματος είναι και ώριμα και οικονομικά αποδοτικά, και παρουσιάζουν εξαιρετική απόδοση σε διάφορες εφαρμογές. Αυτοί οι παράγοντες σε συνδυασμό οδήγησαν στην ευρεία χρήση λέιζερ σε αυτά τα μήκη κύματος.